Биологическая термодинамика

Биологическая термодинамика (Термодинамика биологических систем) — наука, объясняющая природу и общие закономерности термодинамических процессов, протекающих в живых организмах как неравновесных термодинамических системах, преобразующих энергию Солнца и пищи в другие виды энергии. Неравновесное термодинамическое состояние живых организмов обеспечивается непрерывным чередованием циклов управляемых биохимических реакций, сопровождающихся выделением и поглощением энергии, что обеспечивает им свойства фенотипической адаптации и ряд других.

История

В 1935 году вышла первая научная работа, посвященная термодинамике биологических систем, — книга венгерско-российского биолога-теоретика Эрвина С. Бауэра (1890-1938) «Теоретическая биология». ^[1] Э. Бауэр сформулировал «Всеобщий закон биологии» в следующем издании: «Все и только живые системы никогда не находятся в равновесии и совершают постоянную работу за счет своей свободной энергии против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих условиях». внешние условия». Этот закон можно считать первым законом термодинамики биологических систем.

В 1957 году немецко-британский врач и биохимик Ганс Кребс и британско-американский биохимик Ганс Корнберг. ^[2] в книге «Энергетические превращения в живой материи» впервые описал термодинамику биохимических реакций. В своих работах Х. Кребс и Ганс Корнберг показали, как в живых клетках в результате биохимических реакций из пищи синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ), который является основным источником энергии живых организмов ( цикл Кребса-Корнберга ). .

В 2006 году израильско-российский учёный Борис Доброборский (1945) опубликовал книгу «Термодинамика биологических систем». ^[3] в которой впервые были сформулированы общие принципы функционирования живых организмов с позиций неравновесной термодинамики и объяснены природа и свойства их основных физиологических функций.

Основные положения теории термодинамики биологических систем.

Живой организм — термодинамическая система активного типа (в которой происходят энергетические преобразования), стремящаяся к устойчивому неравновесному термодинамическому состоянию. Неравновесное термодинамическое состояние у растений достигается постоянным чередованием фаз потребления солнечной энергии в результате фотосинтеза и последующих биохимических реакций, в результате которых в дневное время синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ), и последующее выделение энергии в течение суток. расщепление АТФ преимущественно в темноте. Таким образом, одним из условий существования жизни на Земле является чередование светлого и темного времени суток.

У животных процессы чередования циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ происходят автоматически. При этом процессы чередующихся циклов биохимических реакций на уровне органов, систем и всего организма, например дыхание, сердечные сокращения и другие, протекают с разной периодичностью и внешне проявляются в виде биоритмов. При этом устойчивость неравновесного термодинамического состояния, оптимального при определенных условиях жизнедеятельности, обеспечивается системами обратной связи посредством регуляции биохимических реакций в соответствии с теорией устойчивости Ляпунова . Этот принцип жизнедеятельности был сформулирован Б. Доброборским в виде 2-го закона термодинамики биологических систем в следующей редакции:

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ.

Из этого закона вытекают следующие последствия:

1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположным направлением: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез с расщеплением и т. д.

2. Состояние живого организма никогда не бывает статичным, и все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений как по частоте, так и по амплитуде.

Этот принцип функционирования живых организмов обеспечивает им свойства фенотипической адаптации и ряд других.

См. также

Ссылки

^ [Бауэр Е.С. (1935) «Теоретическая биология» М.Л., Издательство ВИЭМ, 151 с. (Рус).],1
^ [Альберти Р. (2004). «Краткая история термодинамики реакций, катализируемых ферментами». J Биол Хим. 279 (27): 27831–6. doi:10.1074/jbc.X400003200. PMID 15073189. Архивировано из оригинала 5 сентября 2008 г. Проверено 4 марта 2007 г.], 2.
^ [Доброборский Б.С. (2006) «Термодинамика биологических систем». Санкт-Петербург, Издательство Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. 52 с. (Русский).],3

Дальнейшее чтение

Хейни, Д. (2001). Биологическая термодинамика (учебник). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
Ленинджер А., Нельсон Д. и Кокс М. (1993). Основы биохимии, 2-е изд. (учебник). Нью-Йорк: Издательство Worth.
Альберти, Роберт, А. (2006). Биохимическая термодинамика: приложения Mathematica (методы биохимического анализа) , Wiley-Interscience.

Внешние ссылки

Клеточная термодинамика - Вулф, Дж. (2002), Энциклопедия наук о жизни.
Биоэнергетика

[1] [Бауэр Е.С. (1935) «Теоретическая биология» М.Л., Издательство ВИЭМ, 151 с. (Рус).],1

[2] [Альберти Р. (2004). «Краткая история термодинамики реакций, катализируемых ферментами». J Биол Хим. 279 (27): 27831–6. doi:10.1074/jbc.X400003200. PMID 15073189. Архивировано из оригинала 5 сентября 2008 г. Проверено 4 марта 2007 г.], 2.

[3] [Доброборский Б.С. (2006) «Термодинамика биологических систем». Санкт-Петербург, Издательство Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. 52 с. (Русский).],3

[1]

[2]

[3]